COME FUNZIONA UN SISTEMA FOTOVOLTAICO?

Cosa si valuta di un sistema fotovoltaico?

Quando si progetta un sistema fotovoltaico FV stand-alone (isolato), i parametri fondamentali da tenere in considerazione sono i seguenti:

1. 1.  CONSUMO GIORNALIERO (Whg- wattora/giorno), dove Wh rappresenta l’unità di misura dell’energia elettrica fornita alla potenza di 1 watt (W) per un’ora (h). Nel caso di un sistema Tvcc composto da una telecamera ad inquadratura fissa con illuminatore a Led IR attivo e collegata ad un apparato radio trasmittente, si raggiunge un assorbimento giornaliero complessivo =30W*24h=720Whg.
   2. RENDIMENTO FOTOVOLTAICO: il luogo d’installazione, il variare dell’irraggiamento solare durante la giornata e le condizioni meteo variabili condizionano il rendimento del sistema FV. Pertanto, si parla di insolazione media giornaliera ESH (Equivalent Sun Hours) in termini di ore di sole durante le quali un pannello FV rende al massimo della sua potenza di picco Wp. Infatti, se al Nord Italia, in inverno si conta un ESH=2h (in estate=4h), al Centro Italia, si ha un ESH=2,5h (in estate=4,5h), mentre al Sud Italia vi è un ESH=3h (in estate=5h).
      Per esempio, si consideri l’installazione di un minigeneratore FV in Puglia. Per alimentare stand-alone un carico che assorbe 30W, sia di giorno che di notte, con un consumo giornaliero di 720Whg e per garantire un’autonomia di 5gg di riserva, il parco batterie dovrà fornire una Potenza netta =720×5 =3600W. Invece, la Potenza di picco (Wp) dei pannelli FV sarà (Potenza netta/ESH*1,5 – dove 1,5 è un correttivo dovuto alle perdite di sistema) =3600W/ESH*1,5=3600/3*1,5=1800Wp. Andranno quindi selezionati quei pannelli fotovoltaici aventi caratteristiche tecniche che più si avvicinano al valore teorico calcolato.
   3. IL REGOLATORE DI RICARICA: La tensione in uscita dai pannelli FV è discontinua e spesso ci si trova ad avere tensioni molto elevate. Per questo è necessario un regolatore di ricarica, il quale ha la funzione di regolare la tensione dei pannelli FV adeguandola a quella necessaria per la ricarica della batteria, evitando così la sua sovraccarica. Considerando il pannello FV come se fosse una pompa che aspira acqua dal sottosuolo (energia solare) e la batteria come un campo che ha bisogno di essere irrigato, si necessita di un rubinetto per regolare l’afflusso di acqua. Se al contrario, non ci fosse nulla fra pompa e campo, si allagherebbero le colture, con gravi danni. In questo caso, il rubinetto rappresenta metaforicamente il regolatore di carica e se non ci fosse, la batteria rischierebbe seriamente di essere danneggiata. Esistono due tipologie di regolatori di ricarica: PWM e MPPT. Il PWM (Pulse Wave Modulation) effettua il trasferimento di energia proveniente dai pannelli fotovoltaici attraverso impulsi di corrente, durante i quali la tensione dei pannelli FV deve adattarsi alla tensione della batteria. Con questo tipo di regolatori di carica non è possibile utilizzare pannelli FV a 24V per caricare batterie a 12V. Invece, il regolatore MPPT (Maximum Power Point Tracker) è in grado di inseguire costantemente il punto di massima potenza che un pannello FV è in grado di erogare, a seconda dell’irraggiamento solare. Quindi, a parità di potenza FV, un regolatore MPPT consente di erogare più energia alla batteria (+30%) rispetto ad un regolatore PWM. Al regolatore di ricarica si può collegare oltre che la batteria, anche un INVERTER DC/AC per alimentare carichi elettrici a 230Vca.
   4. L’INVERTER: nella versione IBRIDA oltre a convertire la corrente continua della batteria (12-24-48Vcc) in corrente alternata (230Vca), gestisce anche la sezione del regolatore di ricarica, coordinando così i flussi di energia elettrica provenienti dalla stringa FV, dalla batteria e da una fonte di alimentazione secondaria (gruppo elettrogeno o alimentazione derivata da un impianto di illuminazione pubblica). Il numero di pannelli collegabili in serie e/o parallelo all’inverter vanno sempre calcolati rispettando i limiti di tensione e corrente dell’inverter. Infatti, nella sua scheda tecnica viene indicata la massima tensione assoluta e la minima tensione di attivazione ai morsetti di collegamento dei pannelli FV. Bisogna inoltre fare attenzione a non superare il limite di corrente. In pratica la corrente di corto circuito (Isc) del singolo pannello FV, moltiplicata per il numero di pannelli, se collegati in serie, non deve superare la massima corrente MPPT (Maximum Power Point Tracker) dell’Inverter.
   5. TIPOLOGIA DI BATTERIE: è importante distinguere le diverse tipologie di accumulatori presenti sul mercato:
      • BATTERIA Pb-Gel: L’elettrolita di queste batterie è trasformato in uno stato gelatinoso per l’aggiunta di acido silicico. Ne deriva una maggiore insensibilità alle vibrazioni ed alle oscillazioni di temperatura. In questo tipo di accumulatore privo di manutenzione, avviene la ricombinazione dell’idrogeno generato dalla stessa batteria e non serve aggiungere acqua distillata come avviene per le batterie tradizionali. Quindi, una batteria a gel presenta il vantaggio di un’usura ridotta degli elettrodi da cui deriva una durata di utilizzo superiore rispetto a una batteria al piombo-acido convenzionale. I parametri da rispettare per una corretta tensione di ricarica (BULK) di batterie Pb-Gel sono: 14,4V (-40°C /+60°C) e tensione di mantenimento (FLOAT) =13,8V.
      • BATTERIA AGM (Absorbet Glass Mat): si tratta di accumulatori ermetici, esenti da manutenzione che possiedono una scarica lenta nel tempo e possono affrontare molti cicli di carica/scarica. Considerando una percentuale di scarica del 30% della sua capacità, una batteria AGM può raggiungere 1200 cicli. Nel leggere le specifiche di tali batterie si nota che la tensione di ricarica (BULK) è pari a 14,6V- 14,8V e che quella di mantenimento (FLOAT) varia da 13,8Va14V.
      • BATTERIA SUPERCAP (Supercondensatori): si tratta di una nuova generazione di batterie composte da supercondensatori ad alta capacità, in grado di rilasciare un’elevata energia in breve tempo. Grazie alla loro caratteristica di immagazzinare energia tramite campo elettrico e non per mezzo di una reazione chimica (come avviene nelle batterie AGM), le batterie Supercap mantengono la loro capacità per oltre un milione di cicli di carica/scarica. Sono inoltre più prestanti, meno pesanti e meno inquinanti delle batterie classiche. Quindi, nella logica di funzionamento di una batteria Supercap, si può raggiungere una percentuale di scarica del 95-99%, senza danneggiare irrimediabilmente l’accumulatore che si presenterà pronto per essere ricaricato, anche molto rapidamente, senza rispettare la tempistica classica delle batterie tradizionali. Il parametro da non superare per la tensione di ricarica (BULK) di una batteria SUPERCAP è =13,5V. Non è possibile collegare in serie le batterie Supercap.

      
      In base alla tipologia di batteria, tramite il menù di configurazione dell’inverter è possibile selezionare e adattare, entro certi limiti, i parametri di ricarica e i limiti di distacco dal carico degli accumulatori da utilizzare, al fine di preservarne la loro funzionalità sul lungo periodo.

   6. CAPACITA’ DI ACCUMULO (Ah): ritornando all’esempio del carico =30W, volendo utilizzare una batteria a Supercondensatori da 48V, si dovrà calcolare la sua Potenza lorda (Potenza lorda = Potenza netta/Limite di scarica (=95%) =3600/0,95 =3789,47W). Si calcolerà poi la Capacità di accumulo (Capacità di accumulo = Potenza lorda/Tensione massima di ricarica = 3789,47/54 =70,17Ah; accumualtore reperibile sul mercato: SIRIUS 3,55kWh-48V).RACCOMANDAZIONI: in presenza di impianti di sicurezza, nonostante il calcolo dei giorni di autonomia, è sempre buona regola disporre di una fonte di energia di riserva (gruppo elettrogeno con intervento automatico) al fine di evitare il distacco forzato degli accumulatori e quindi per evitare il rischio concreto di spegnimento del sistema di sicurezza.

      Tabella di dimensionamento per generatori fotovoltaici stand-alone

      

      Electronic’s Time srl offre la possibilità di alimentare, attraverso minigeneratori fotovoltaici stand-alone (senza disporre in loco di una fonte primaria di alimentazione a 230Vca) carichi elettrici con assorbimenti che possono variare da una decina di Watt (con installazioni dei pannelli  FV a palo), fino a 200W (con installazione dei pannelli FV sul solaio di un box di cantiere) come nel caso dell’alimentazione di postazioni di videoripresa e/o di ponti radio dedicati al telemonitoraggio di territori urbani ed extraurbani.